RU2062545C1

RU2062545C1 - Reverse piezoelectric motor

Info

Publication number: RU2062545C1
Application number: RU92010373A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Чесноков; В.П. Морозов; Д.П. Колесников; В.А. Иванов; В.А. Котов; Н.А. Морозова
Original assignee: Чесноков Герман Александрович; Морозова Наталья Александровна; Колесников Дмитрий Павлович; Иванов Виктор Алексеевич; Котов Валерий Аронович
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1992-12-07
Publication date: 1996-06-20

Abstract

FIELD: automatic control systems. SUBSTANCE: device has two piezoelectric oscillators which pushing rods are bent to sides which are opposite to field of individual rotors. Rolling members (balls) are located between rotors and are connected to output shaft through separating disk. When high-frequency voltage is supplied to one oscillator, corresponding rotor starts its rotation in some direction and leads rotation of rolling members which start rotation of output shaft. When both oscillators are started simultaneously, rotation speed of rotor is algebraic average of rotation speed of rotors. Another claim of invention describes design in which rotors are connected to output shaft in alternating order through friction members. EFFECT: increased range of rotation speed. 2 cl, 8 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к пьезоэлектрическим приборам, а более точно к реверсивным пьезоэлектрическим двигателям вращательного движения, и может найти применение в качестве низкооборотных безредукторных приводов различных механизмов, в частности таких, как лентопротяжные механизмы магнитофонов, устройства ввода-вывода, цифропечатающие устройства, в автомобильной промышленности в качестве приводов стеклоочистителей, стеклоподъемников и др. The present invention relates to piezoelectric devices, and more specifically to reversible piezoelectric rotational motion motors, and can be used as low speed gearless drives of various mechanisms, in particular such as tape drives of tape recorders, input-output devices, digital printers, in the automotive industry in quality of wiper drives, power windows, etc.

Известен реверсивный пьезоэлектрический двигатель [1] включающий ротор с установленным внутри него пьезоэлектрическим осциллятором в виде стержня, с толкателями на концах. Осциллятор укреплен на качающемся рычаге так, что в крайних положениях рычага с рабочей поверхностью ротора взаимодействует один из толкателей, обеспечивая вращение ротора в соответствующую сторону. Known reversible piezoelectric motor [1] comprising a rotor with a piezoelectric oscillator installed in it in the form of a rod, with pushers at the ends. The oscillator is mounted on a swinging lever so that in the extreme positions of the lever one of the pushers interacts with the working surface of the rotor, providing rotation of the rotor in the corresponding direction.

Недостаток такого двигателя ограниченная удельная мощность (отнесенная к объему) вследствие того, что крутящий момент обеспечивается взаимодействием лишь одного толкателя. (Увеличение числа осцилляторов и/или толкателей усложняет конструкцию, но проблемы мощности не решает.)
Известен реверсивный пьезоэлектрический двигатель [2] Двигатель содержит два соосно установленных пьезоэлектрических осциллятора с электродами и толкателями. Один из осцилляторов установлен на статоре неподвижно, другой - на выходном валу, при этом электрический контакт электродов подвижного осциллятора осуществлен с помощью контактных колец и щеток. Толкатели на осцилляторах отогнуты в одном направлении и взаимодействуют с промежуточным ротором в виде цилиндра. При подаче переменного напряжения на электроды неподвижного осциллятора его толкатели вращают промежуточный ротор и далее - выходной вал с подвижным осциллятором за счет трения его толкателей, отогнутых по ходу вращения промежуточного ротора. При подаче напряжения на электроды подвижного осциллятора его толкатели, взаимодействуя с неподвижным промежуточным ротором, заторможенным толкателями неподвижного осциллятора, вращают подвижный осциллятор с выходным валом в обратном направлении. При отсутствии напряжения на обоих осцилляторах двигатель заторможен.The disadvantage of such an engine is the limited specific power (referred to the volume) due to the fact that the torque is provided by the interaction of only one pusher. (An increase in the number of oscillators and / or pushers complicates the design, but does not solve the power problem.)
Known reversible piezoelectric engine [2] The engine contains two coaxially mounted piezoelectric oscillators with electrodes and pushers. One of the oscillators is mounted on the stator motionless, the other on the output shaft, while the electrical contact of the electrodes of the moving oscillator is made using slip rings and brushes. The pushers on the oscillators are bent in one direction and interact with the intermediate rotor in the form of a cylinder. When applying alternating voltage to the electrodes of a stationary oscillator, its pushers rotate the intermediate rotor and then the output shaft with a movable oscillator due to the friction of its pushers bent along the rotation of the intermediate rotor. When voltage is applied to the electrodes of the moving oscillator, its pushers interacting with the stationary intermediate rotor, which is inhibited by the pushers of the fixed oscillator, rotate the moving oscillator with the output shaft in the opposite direction. If there is no voltage on both oscillators, the engine is inhibited.

Недостатком этого двигателя является наличие контактных колец со щетками, существенно снижающих его надежность, а также ограниченный момент, поскольку момент на выходной вал передается от активного (включенного) осциллятора за счет сил трения прижатых к промежуточному ротору толкателей пассивного осциллятора, т.е. пара "промежуточный ротор пассивный осциллятор" является фактически фрикционной муфтой с ограниченным моментом. Что касается отрицательного влияния контактных колец, то необходимо учитывать следующие обстоятельства. Для работы осциллятора на его электроды необходимо подавать высокочастотное напряжение в сотни вольт при токах от долей до нескольких ампер, что ограничивает применение двигателей с такими токоподводами во взрывоопасных условиях. The disadvantage of this engine is the presence of slip rings with brushes, which significantly reduce its reliability, as well as a limited moment, since the moment is transmitted to the output shaft from the active (switched on) oscillator due to the friction forces pressed by the pushers of the passive oscillator, pressed to the intermediate rotor, i.e. the “intermediate rotor passive oscillator” pair is in fact a friction clutch with a limited torque. As for the negative influence of slip rings, the following circumstances must be considered. For the oscillator to work, it is necessary to apply a high-frequency voltage of hundreds of volts to its electrodes at currents from fractions to several amperes, which limits the use of motors with such current leads in explosive conditions.

В основу изобретения положена задача создания реверсивного пьезоэлектрического двигателя с таким конструктивным исполнением, которое позволило бы за счет выполнения промежуточного ротора из двух независимых частей, каждая из которых может быть связана с выходным валом, во-первых, повысить надежность двигателя за счет неподвижной установки в корпусе обоих осцилляторов, избавившись, таким образом, от необходимости применения скользящих контактов, и, во-вторых, уменьшить или исключить ограничение крутящего момента. The basis of the invention is the creation of a reversible piezoelectric motor with such a design that would allow, due to the implementation of the intermediate rotor of two independent parts, each of which can be connected with the output shaft, firstly, to increase the reliability of the engine due to the fixed installation in the housing both oscillators, thus eliminating the need for sliding contacts, and, secondly, to reduce or eliminate torque limitation.

Поставленная задача решается тем, что в реверсивном пьезоэлектрическом двигателе (I вариант), содержащем корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическими осцилляторами, на рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, согласно изобретению оба осциллятора установлены в корпусе неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, а ротор выполнен из двух независимых частей индивидуальных роторов, между которыми размещены связанные с выходным валом тела качения, взаимодействующие с роторами фрикционно или путем зубчатого зацепления. При этом согласно изобретению осцилляторы выполнены в виде плоских колец с электродами на плоских поверхностях и цилиндрическими рабочими поверхностями. The problem is solved in that in a reversible piezoelectric motor (option I), comprising a housing with two piezoelectric oscillators placed in it, on the working surfaces of which pushers are mounted obliquely, friction-coupled with the working surface of the rotor connected to the output shaft, according to the invention, both oscillators are installed in the housing motionless, the pushers on the oscillators are bent in opposite directions, and the rotor is made of two independent parts of individual rotors, between which we placed rolling bodies connected with the output shaft, interacting with the rotors in friction or by gearing. Moreover, according to the invention, the oscillators are made in the form of flat rings with electrodes on flat surfaces and cylindrical working surfaces.

Кроме того, согласно изобретению рабочие поверхности роторов выполнены цилиндрическими. При этом согласно изобретению осцилляторы и их роторы расположены концентрично. А также согласно изобретению двигатель содержит элементы для упругого прижатия роторов к телам качения, взаимодействующим с роторами фрикционно. In addition, according to the invention, the working surfaces of the rotors are cylindrical. Moreover, according to the invention, the oscillators and their rotors are concentric. And also according to the invention, the engine contains elements for elastic pressing of the rotors to the rolling bodies interacting with the rotors frictionally.

Кроме того, согласно изобретению рабочие поверхности роторов выполнены коническими и ориентированы вершинами встречно. А также согласно изобретению осцилляторы выполнены в виде цилиндров с электродами на цилиндрических поверхностях и торцовыми рабочими поверхностями, а рабочие поверхности роторов выполнены плоскими. In addition, according to the invention, the working surfaces of the rotors are conical and oriented vertically counter. And also according to the invention, the oscillators are made in the form of cylinders with electrodes on cylindrical surfaces and end working surfaces, and the working surfaces of the rotors are made flat.

Поставленная задача решается также тем, что в реверсивном пьезоэлектрическом двигателе (II вариант), содержащем корпус с размещенными в нем двумя пьезоэлектрическим осцилляторами в виде плоских колец, на цилиндрических рабочих поверхностях которых наклонно укреплены толкатели, фрикционно сопряженные с рабочей поверхностью ротора, связанного с выходным валом, согласно изобретению оба осциллятора установлены в корпусе неподвижно, толкатели на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях, ротор выполнен из двух независимых частей индивидуальных для каждого осциллятора роторов, снабженных на внешних торцах фрикционными элементами, с коническими рабочими поверхностями, ориентированными вершинами (меньшими основаниями) кнаружи, и при этом двигатель дополнительно содержит установленные на выходном валу по обе стороны роторов диски с фрикционными элементами для взаимодействия с фрикционными элементами роторов, а сами роторы связаны между собой в осевом направлении и установлены с возможностью вращения относительно друг друга и перемещения в осевом направлении до контакта в крайних положениях своих фрикционных элементов с фрикционными элементами дисков. The problem is also solved by the fact that in a reversible piezoelectric engine (II option), containing a housing with two piezoelectric oscillators placed in it in the form of flat rings, on the cylindrical working surfaces of which pushers are obliquely mounted, frictionly coupled to the working surface of the rotor associated with the output shaft , according to the invention, both oscillators are fixed in the housing, the pushers on the oscillators are bent in opposite directions, the rotor is made of two independent hours individual rotors for each oscillator equipped with friction elements on the outer ends, with conical working surfaces oriented vertices (smaller bases) outward, and the engine additionally contains disks with friction elements mounted on the output shaft on both sides of the rotors for interaction with friction elements rotors, and the rotors themselves are interconnected in the axial direction and are mounted with the possibility of rotation relative to each other and movement in the axial direction and before contact in extreme positions of its friction elements with friction elements of the disks.

Данное изобретение позволит существенно повысить надежность реверсивного пьезоэлектрического двигателя за счет отсутствия в нем подвижных (скользящих) контактов в цепи питания осцилляторов, а также повысить крутящий момент за счет уменьшения проскальзывания пассивной группы толкателей (т. е. толкателей обесточенного осциллятора) или исключения пассивной группы толкателей при передаче момента. This invention will significantly improve the reliability of a reversible piezoelectric motor due to the absence of moving (sliding) contacts in the oscillator power supply circuit, as well as increase the torque by reducing the slip of the passive group of pushers (i.e., the pushers of the de-energized oscillator) or by eliminating the passive group of pushers when transmitting the moment.

В дальнейшем изобретение иллюстрируется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными парами элементов осциллятор ротор с цилиндрической рабочей поверхностью, с телами качения между роторами и с элементами для прижатия роторов к телам качения, продольный разрез, согласно изобретению; фиг. 2 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель, поперечный разрез А-А на фиг. 1, согласно изобретению; фиг. 3 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными парами элементов осциллятор ротор с конической рабочей поверхностью, с телами качения между роторами, согласно изобретению; фиг. 4 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными роторами, с телами качения в виде зубчатых колес между ними, согласно изобретению; фиг. 5 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель с соосно расположенными осцилляторами и роторами с плоскими рабочими поверхностями, с телами качения между роторами, согласно изобретению; фиг. 6A.6D изображают реверсивный пьезоэлектрический двигатель с концентричным расположением осцилляторов и роторов, с телами качения в виде зубчатых колес (валиков) или конических гладких роликов между роторами, согласно изобретению; фиг. 7 изображает реверсивный пьезоэлектрический двигатель по II варианту с соосно расположенными и снабженными фрикционными элементами роторами и установленными на выходном валу дисками, согласно изобретению; фиг. 8 иллюстрирует работу реверсивного пьезоэлектрического двигателя по I варианту, согласно изобретению. The invention is further illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings, in which: FIG. 1 depicts a reversible piezoelectric motor with axially arranged pairs of rotor oscillator elements with a cylindrical working surface, with rolling bodies between rotors and with elements for pressing rotors against rolling bodies, a longitudinal section according to the invention; FIG. 2 depicts a reversible piezoelectric motor, cross section AA in FIG. 1, according to the invention; FIG. 3 shows a reversible piezoelectric motor with axially arranged pairs of elements, an oscillator rotor with a conical working surface, with rolling bodies between rotors, according to the invention; FIG. 4 shows a reversible piezoelectric motor with coaxially arranged rotors, with rolling bodies in the form of gears between them, according to the invention; FIG. 5 depicts a reversible piezoelectric motor with coaxially arranged oscillators and rotors with flat working surfaces, with rolling bodies between the rotors, according to the invention; FIG. 6A.6D depict a reversible piezoelectric motor with a concentric arrangement of oscillators and rotors, with rolling bodies in the form of gears (rollers) or conical smooth rollers between the rotors, according to the invention; FIG. 7 shows a reversible piezoelectric motor according to the II embodiment with rotors coaxially arranged and provided with friction elements and disks mounted on the output shaft, according to the invention; FIG. 8 illustrates the operation of a reversible piezoelectric motor according to I embodiment, according to the invention.

Реверсивный пьезоэлектрический двигатель по I варианту (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором неподвижно установлены пьезоэлектрические осцилляторы 2 и 3 с толкателями 4 и 5 соответственно, и подвижно с возможностью вращения и осевого перемещения роторы 6 и 7, между которыми, как между обоймами упорного подшипника, размещены по окружности в круговых беговых дорожках-желобах тела качения шарики 8. Шарики установлены в отверстиях диска-сепаратора 9, укрепленного неподвижно на выходном валу 10 двигателя. Роторы 6 и 7 прижаты к шарикам 8 усилием пружин сжатия 11 через посредство упорных шариковых подшипников, в которых функцию обойм, между которыми размещены шарики 12, выполняют нажимное кольцо 13, роторы 6 и 7 и корпус 1. The reversible piezoelectric motor according to I embodiment (Fig. 1) comprises a housing 1 in which the piezoelectric oscillators 2 and 3 are fixedly mounted with pushers 4 and 5, respectively, and rotors 6 and 7 are movably rotatably and axially displaced, between which, as between the clips thrust bearings, balls 8 are placed around the circumference in circular treadmills-grooves of the rolling body 8. Balls are installed in the holes of the separator disk 9, fixed motionless on the output shaft 10 of the engine. The rotors 6 and 7 are pressed against the balls 8 by the force of the compression springs 11 through the thrust ball bearings, in which the pressure ring 13, the rotors 6 and 7 and the housing 1 perform the function of the cages between which the balls 12 are placed.

Тела качения могут быть выполнены также в виде зубчатых колес 14, установленных между роторами 6 и 7, имеющими по окружности соответствующие зубчатые венцы 15 (фиг. 4). Зубчатые колеса 4 установлены на осях 16 и поводках 17, укрепленных неподвижно на выходном валу 10. The rolling bodies can also be made in the form of gears 14 mounted between the rotors 6 and 7, which have respective gear rims 15 around the circumference (Fig. 4). The gears 4 are mounted on the axles 16 and the leashes 17, fixed motionless on the output shaft 10.

Пьезоэлектрические осцилляторы 2 и 3 радиальных колебаний акустически изолированы от корпуса 1 посредством прокладок 18 из эластичного материала (например, резины) и закреплены на нем с помощью гаек 19. Корпус 1 служит для защиты пьезоэлектрических осцилляторов и других элементов двигателя от повреждения, а также для закрепления пьезоэлектрического двигателя в изделии. Piezoelectric oscillators 2 and 3 of radial vibrations are acoustically isolated from the housing 1 by means of gaskets 18 made of elastic material (for example, rubber) and mounted on it with nuts 19. The housing 1 serves to protect the piezoelectric oscillators and other engine elements from damage, as well as to fix piezoelectric motor in the product.

Пьезоэлектрический осциллятор радиальных колебаний представляет собой электромеханическое устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию колебательного, преимущественно в радиальном направлении, движения частиц активного элемента пьезоэлектрического осциллятора - пьезоэлемента 20, выполненного в виде тела вращения. Для создания в пьезоэлектрическом осцилляторе радиальных колебаний пьезоэлемент 20 выполнен в виде кольца (диска с отверстием) и изготовлен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, с электродами 21 на плоских поверхностях кольца, снабженными выводами 22. Электроды представляют собой тонкое металлическое покрытие на шлифованной поверхности пьезоэлемента 20. Переменное напряжение от источника питания (на чертежах не показан) подводится к электродам 21 через выводы 22, припаянные к электродам, как показано на фиг. 1 (или контактным способом). The piezoelectric radial oscillator is an electromechanical device for converting electrical energy into mechanical energy of vibrational, mainly in the radial direction, particle motion of the active element of the piezoelectric oscillator - piezoelectric element 20, made in the form of a body of revolution. To create radial vibrations in a piezoelectric oscillator, the piezoelectric element 20 is made in the form of a ring (disk with a hole) and is made of a material having piezoelectric properties, with electrodes 21 on the flat surfaces of the ring equipped with leads 22. The electrodes are a thin metal coating on the polished surface of the piezoelectric element 20 An alternating voltage from a power source (not shown in the drawings) is supplied to the electrodes 21 through the terminals 22 soldered to the electrodes, as shown in FIG. 1 (or by contact).

На рабочих цилиндрических поверхностях пьезоэлементов укреплены толкатели 4, 5, которые другими концами упираются во внутренние поверхности роторов 6 и 7 под острым углом, причем в противоположных направлениях, образуя две группы разнонаправленных толкателей. Pushers 4, 5 are mounted on the working cylindrical surfaces of the piezoelectric elements, which abut against the inner surfaces of the rotors 6 and 7 at an acute angle with the other ends, and in opposite directions, forming two groups of multidirectional pushers.

На фиг. 3 показан аналогичный по компоновке реверсивный пьезоэлектрический двигатель с коническими рабочими поверхностями роторов 6 и 7 и косо срезанными концами толкателей 4 и 5. Такая форма элементов обеспечивает при работе двигателя возникновение на роторах 6 и 7 осевых усилий, обеспечивающих прижатие роторов к телам качения 3. In FIG. Figure 3 shows a similarly reversible piezoelectric motor with conical working surfaces of the rotors 6 and 7 and obliquely cut ends of the pushers 4 and 5. This form of the elements ensures that the engine generates axial forces on the rotors 6 and 7, which ensure that the rotors are pressed against the rolling bodies 3.

В двигателе, показанном на фиг. 5, осцилляторы 2, 3 выполнены в виде полых цилиндрических элементов с электродами 21 на их цилиндрических поверхностях и с толкателями 4, 5, установленными на торцовых поверхностях. Толкатели 4, 5 на осцилляторах отогнуты в противоположных направлениях и упираются свободными концами в плоские поверхности роторов 6 и 7, между которыми размещены тела качения шарики 8, установленные в отверстиях диска-сепаратора 9, укрепленного на выходном валу 10. In the engine shown in FIG. 5, the oscillators 2, 3 are made in the form of hollow cylindrical elements with electrodes 21 on their cylindrical surfaces and with pushers 4, 5 mounted on the end surfaces. Pushers 4, 5 on the oscillators are bent in opposite directions and abut their free ends against the flat surfaces of the rotors 6 and 7, between which the rolling elements 8 are mounted, mounted in the holes of the separator disk 9, mounted on the output shaft 10.

На фиг. 6 показан реверсивный пьезоэлектрический двигатель с концентричным расположением пьезоэлектрических осцилляторов и роторов. Осцилляторы 2 и 3 с толкателями 4 и 5 укреплены концентрично в корпусе 1. В пространстве между ними размещены роторы 6 и 7, а между роторами тела качения цилиндрические зубчатые колеса 14 в виде валиков, - взаимодействующие с зубчатыми венцами 15 на цилиндрических поверхностях роторов 6 и 7 (фиг. 6C). In FIG. 6 shows a reversible piezoelectric motor with a concentric arrangement of piezoelectric oscillators and rotors. Oscillators 2 and 3 with pushers 4 and 5 are mounted concentrically in the housing 1. In the space between them there are rotors 6 and 7, and between the rotors of the rolling body are cylindrical gears 14 in the form of rollers interacting with gear rims 15 on the cylindrical surfaces of the rotors 6 and 7 (Fig. 6C).

Зубчатые колеса 14 установлены на осях 16 и поводках 17, укрепленных неподвижно на выходном валу 10. На осях 16 в плоскости торцов роторов 6 и 7 установлены шайбы 23 (фиг. 6B), препятствующие осевому смещению роторов. The gears 14 are installed on the axles 16 and the leashes 17, fixed motionless on the output shaft 10. On the axles 16 in the plane of the ends of the rotors 6 and 7 washers 23 are installed (Fig. 6B), which prevent the axial displacement of the rotors.

Использование зубчатого зацепления между роторами 6 и 7 и телами качения зубчатыми колесами (валиками) 14 не требует дополнительного прижатия роторов к валикам. The use of gearing between the rotors 6 and 7 and the rolling bodies of the gears (rollers) 14 does not require additional pressing of the rotors to the rollers.

Однако в случае использования гладких (не зубчатых) тел качения (шариков или роликов) применяются специальные элементы для обеспечения необходимого усилия прижатия роторов к телам качения. На фиг. 6 показана схема взаимодействия ротора с телами качения в виде конических роликов 24. Ролики размещены между роторами 6 и 7 на осях 16; своей боковой поверхностью ролики касаются кромок роторов. В осевом направлении каждая пара роликов 24 поджата пружинной сжатия 25, усилие которой в сочетании с углом конусности роликов определяет усилие прижатия роторов к роликам. However, in the case of using smooth (non-toothed) rolling elements (balls or rollers), special elements are used to provide the necessary force to compress the rotors to the rolling elements. In FIG. 6 shows a diagram of the interaction of the rotor with rolling bodies in the form of conical rollers 24. The rollers are placed between the rotors 6 and 7 on the axes 16; with their lateral surface, the rollers touch the edges of the rotors. In the axial direction, each pair of rollers 24 is preloaded by spring compression 25, the force of which, in combination with the angle of conicity of the rollers, determines the force that the rotors press against the rollers.

Реверсивный пьезоэлектрический двигатель (I вариант) работает следующим образом. Reversible piezoelectric motor (I option) works as follows.

При подаче на электроды 21 одного из пьезоэлектрических осцилляторов радиальных колебаний (2 на фиг. 1) электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте продольных радиальных колебаний пьезоэлемента 20, в нем возникают продольные радиальные колебания. Эти колебания передаются установленным на рабочей цилиндрической поверхности пьезоэлемента толкателям 4. When applying to the electrodes 21 of one of the piezoelectric oscillators of radial vibrations (2 in Fig. 1) an electric voltage of a certain frequency equal to or close to the resonant frequency of the longitudinal radial vibrations of the piezoelectric element 20, longitudinal radial vibrations arise in it. These vibrations are transmitted to the pushers 4 mounted on the cylindrical surface of the piezoelectric element.

При расширении пьезоэлектрического элемента 20 его поверхность перемещает находящиеся с ней в механическом контакте внутренние концы толкателей 4 в радиальном направлении. Противоположные концы толкателей, упирающиеся наклонно в цилиндрическую рабочую поверхность ротора 6, вследствие заклинивания создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90^o), что вызывает вращение ротора 6 против часовой стрелки на фиг. 2.When expanding the piezoelectric element 20, its surface moves the inner ends of the pushers 4 located in mechanical contact with it in the radial direction. The opposite ends of the pushers, which abut against the cylindrical working surface of the rotor 6, due to jamming create a tangential force on the rotor (since the angle between the pusher and the tangent to the rotor surface is less than 90 ^° ), which causes the rotor 6 to rotate counterclockwise in FIG. 2.

При сжатии пьезоэлемента 20 внутренние концы толкателей 4, укрепленные на поверхности пьезоэлемента, перемещаются в радиальном направлении к его центру. При этом внешние концы толкателей 4, взаимодействующие с поверхностью ротора 6, вследствие уменьшения усилия прижатия и соответственно уменьшения силы трения проскальзывают по рабочей поверхности ротора и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 6 могут препятствовать в значительной степени силы инерции массы ротора и связанных с ним масс приводимого во вращение механизма. When compressing the piezoelectric element 20, the inner ends of the pushers 4, mounted on the surface of the piezoelectric element, move in the radial direction to its center. In this case, the outer ends of the pushers 4 interacting with the surface of the rotor 6, due to a decrease in the pressing force and, accordingly, a decrease in the friction force, slip along the working surface of the rotor and take a new position in the circumferential direction of the rotor. The reverse rotation of the rotor 6 can be hindered to a large extent by the inertia forces of the mass of the rotor and the associated masses of the rotatable mechanism.

Такой процесс повторяется при колебаниях пьезоэлемента 20 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 6 пьезодвигателя во вращение. Such a process is repeated during oscillations of the piezoelectric element 20 and is accompanied by the appearance of a constant moment leading the rotor 6 of the piezoelectric motor into rotation.

Размещенные между вращающимся ротором 6 и неподвижным ротором 7 тела качения шарики 8, находящиеся во фрикционном взаимодействии с поверхностями роторов 6 и 7, перекатываются по их беговым дорожкам и увлекают за собой сепаратор 9, приводя во вращение выходной вал 10. The balls 8 located between the rotating rotor 6 and the stationary rotor 7 of the rolling body 7, which are in frictional interaction with the surfaces of the rotors 6 and 7, are rolled along their treadmills and entrain the separator 9, leading the output shaft 10 to rotate.

Предотвращение проскальзывания тел качения шариков 8 по поверхности беговых дорожек на роторах 6 и 7 обеспечивается повышением силы трения между ними за счет увеличения взаимного прижатия роторов 6 и 7 к шарикам 8 под действием пружин сжатия 11. Prevention of slipping of the rolling bodies of the balls 8 on the surface of the treadmills on the rotors 6 and 7 is provided by increasing the friction force between them by increasing the mutual pressing of the rotors 6 and 7 to the balls 8 under the action of compression springs 11.

Использование тел качения в виде зубчатых колес 14, взаимодействующих с зубчатыми концами 15 на роторах (фиг. 4), исключает проскальзывание и не требует прижатия роторов к зубчатым колесам, но только фиксации расстояния между ними. The use of rolling elements in the form of gears 14 interacting with the gear ends 15 on the rotors (Fig. 4) eliminates slipping and does not require pressing the rotors to the gears, but only fixing the distance between them.

При работе такого двигателя на один оборот ротора 6 сепаратор 9 с шариками 8 и соответственно выходной вал делают половину обороту, т.е. частота вращения выходного вала ниже частоты вращения ротора. When such an engine operates for one revolution of the rotor 6, the separator 9 with balls 8 and, accordingly, the output shaft make half a revolution, i.e. output shaft speed is lower than rotor speed.

При подаче переменного напряжения на другой осциллятор 3 и отключении осциллятора 2 работа двигателя будет происходить аналогично описанному выше, за исключением направления вращения обратного, за счет того, что толкатели 4 и 5 на осцилляторах 2 и 3 отогнуты в противоположных направлениях. When an alternating voltage is applied to another oscillator 3 and the oscillator 2 is turned off, the engine will operate in the same way as described above, except for the direction of reverse rotation, due to the fact that the pushers 4 and 5 on the oscillators 2 and 3 are bent in opposite directions.

Частота вращения роторов 6 и 7 определяется как резонансной частотой пьезоэлементов и конструктивными параметрами двигателя, в частности размерами и углом наклона толкателей, так и параметрами питающего напряжения частотой и амплитудой. Варьируя последний параметр, можно регулировать в широких пределах частоту вращения роторов двигателя и соответственно выходного вала 10. The rotational speed of the rotors 6 and 7 is determined as the resonant frequency of the piezoelectric elements and the design parameters of the engine, in particular the size and angle of the tappets, and the parameters of the supply voltage frequency and amplitude. Varying the last parameter, it is possible to widely control the frequency of rotation of the engine rotors and, accordingly, the output shaft 10.

При одновременной подаче на оба осциллятора питающего напряжения частота вращения выходного вала 10 составляет алгебраическую полусумму частот вращения роторов 6 и 7:
ω₁₀= (ω₆-ω₇)/2
Меняя порядок включения осцилляторов (один, другой или оба вместе) и параметры напряжения (в частности, амплитуду), можно плавно регулировать частоту вращения выходного вала в пределах от

При такой схеме работы двигателя возможно получение весьма низких частот вращения без снижения крутящего момента.With the simultaneous supply of the supply voltage to both oscillators, the rotation frequency of the output shaft 10 is an algebraic half-sum of the rotation frequencies of the rotors 6 and 7:
ω ₁₀ = (ω ₆ -ω ₇ ) / 2
By changing the order of switching on the oscillators (one, the other, or both together) and the voltage parameters (in particular, the amplitude), you can smoothly control the output shaft speed in the range from

With such a scheme of the engine, it is possible to obtain very low speeds without reducing torque.

В двигателе фиг. 3 прижатие роторов к телам качения осуществляется за счет осевой составляющей силы взаимодействия косо срезанных концов толкателей 4, 5 с коническими поверхностями роторов 6, 7. В остальном порядок работы такого двигателя полностью повторяет порядок работы двигателя фиг. 1-2. In the engine of FIG. 3, the rotors are pressed against the rolling bodies due to the axial component of the interaction force of the obliquely cut ends of the pushers 4, 5 with the conical surfaces of the rotors 6, 7. Otherwise, the operation of such an engine completely repeats the operation of the engine of FIG. 1-2.

Двигатель с концентричным расположением осцилляторов и роторов (фиг. 6А) работает принципиально так же, как описанный выше двигатель фиг. 1-2. Особенностью же этого двигателя является различие характеристик осцилляторов 2 и 3 вследствие различия в размерах. Осциллятор 3 вследствие больших размеров имеет меньшую резонансную частоту. Поэтому, а также потому, что диаметр ротора 7 больше диаметра ротора 6, частота вращения ротора 7 будет ниже частоты вращения ротора 6, а крутящий момент выше. A motor with a concentric arrangement of oscillators and rotors (FIG. 6A) operates in the same way as the engine of FIG. 1-2. A feature of this engine is the difference in the characteristics of the oscillators 2 and 3 due to differences in size. Oscillator 3 due to its large size has a lower resonant frequency. Therefore, and also because the diameter of the rotor 7 is larger than the diameter of the rotor 6, the rotational speed of the rotor 7 will be lower than the rotational speed of the rotor 6, and the torque is higher.

В двигателях фиг. 1 и 3, использующих в качестве тел качения гладкие шарики 8, минимальное количество шариков три; при большем их числе должны предъявляться весьма жесткие требования к их размерам для обеспечения контакта всех шариков с беговыми дорожками роторов 6 и 7. In the engines of FIG. 1 and 3, using smooth balls 8 as rolling bodies, the minimum number of balls is three; with a larger number of them, very stringent requirements must be imposed on their sizes to ensure contact of all balls with the racetracks of rotors 6 and 7.

Как видно из схемы фиг. 8, приведенное к шарику 8 окружное усилие F_н от момента нагрузки на валу 10 уравновешивается силами F₆₈ и F₇₈, прилагаемыми к шарику со стороны роторов 6, 7 за счет сил трения между ним и роторами 6 и 7. При этом одна из сил (например, F₆₈) создается "активным" ротором 6, приводимым во вращение толкателями 4 включенного осциллятора 2, а другая неподвижным, "пассивным" ротором 7. Эта сила уравновешивается силой трения F₅₇ F₇₈ ротора 7 об отогнутые в направлении действия силы концы толкателей 5. Видно, что в этой схеме пассивные элементы ротор 7 с толкателями 5 являются фактически фрикционной предохранительной муфтой, характеризуемой некоторым максимальным допустимым моментом. Из схемы также видно, что сила трения равна половине силы нагрузки F_н, т.е. реверсивный двигатель в соответствии со схемой фиг. 1-2, а также фиг. 3-6 характеризуется повышенным вдвое максимальным допустимым крутящим моментом по сравнению с прототипом.As can be seen from the diagram of FIG. 8, the circumferential force F _n reduced to the ball 8 from the moment of load on the shaft 10 is balanced by the forces F ₆₈ and F ₇₈ applied to the ball from the side of the rotors 6, 7 due to the friction forces between it and the rotors 6 and 7. In this case, one of the forces (for example, F ₆₈ ) is created by the "active" rotor 6, driven by the pushers 4 of the included oscillator 2, and the other by the stationary, "passive" rotor 7. This force is balanced by the friction force F ₅₇ F _{78 of the} rotor 7 and the ends bent in the direction of action pushers 5. It is seen that in this scheme the passive elements of the rotor 7 with pushers 5 i They are actually a friction clutch characterized by a certain maximum permissible torque. The diagram also shows that the friction force is equal to half the load force F _n , i.e. reversible motor in accordance with the circuit of FIG. 1-2, and also FIG. 3-6 is characterized by twice the maximum allowable torque compared to the prototype.

Величина момента, передаваемого каждым шариком 8 на выходной вал 10, определяется силой нормального давления и коэффициентом трения (т.е. силой трения между поверхностями шариков 8 и беговых дорожек роторов 6 и 7), а также диаметром беговых дорожек роторов. The momentum transmitted by each ball 8 to the output shaft 10 is determined by the normal pressure force and the friction coefficient (i.e., the friction force between the surfaces of the balls 8 and the racetracks of the rotors 6 and 7), as well as the diameter of the racetracks of the rotors.

Поскольку при увеличении количества шариков пропорционально снижается сила нормального давления, приходящаяся на каждый шарик, то увеличение их количества не эффективно; повышения передаваемого момента (для исключения проскальзывания) можно достичь увеличением усилия пружин 11 фиг. 1 и диаметра беговых дорожек роторов. Since with an increase in the number of balls the force of normal pressure per each ball is proportionally reduced, an increase in their number is not effective; increasing the transmitted moment (to prevent slippage) can be achieved by increasing the force of the springs 11 of FIG. 1 and the diameter of the treadmills of the rotors.

В двигателе с концентричным расположением роторов 6 и 7 и телами качения в виде конических роликов 24, попарно поджатых пружинами 25, каждая такая пара не зависима от других; максимальный момент, передаваемый на выходной вал, определяется углом конуса роликов 24 и усилием пружин 25, а также радиусом роторов. In an engine with a concentric arrangement of rotors 6 and 7 and rolling elements in the form of conical rollers 24, twisted in pairs by springs 25, each such pair is independent of the others; the maximum moment transmitted to the output shaft is determined by the angle of the cone of the rollers 24 and the force of the springs 25, as well as the radius of the rotors.

Реверсивный пьезоэлектрический двигатель по II варианту (см. фиг. 7) содержит корпус 1, в котором неподвижно установлены пьезоэлектрические осцилляторы 2 и 3 с толкателями 4 и 5 соответственно, со срезанными косо концами. Роторы 6 выполнены с коническими рабочими поверхностями и установлены на втулке 26, размещенной на выходном валу 10 с возможностью вращения и осевого перемещения. Роторы 6 и 7 установлены на втулке 26 с возможностью вращения на ней независимо друг от друга. На внешних торцовых сторонах роторов 6 и 7 выполнены фрикционные элементы 27 и 28 в виде плоского кольца. На выходном валу 10 установлены неподвижно диски 29 и 30 с аналогичными фрикционными элементами 31, 32, противолежащими соответствующим фрикционным элементам 27, 28 роторов 6, 7, и взаимодействующими с ними в крайних положениях роторов. The reversible piezoelectric motor according to the second embodiment (see Fig. 7) comprises a housing 1 in which the piezoelectric oscillators 2 and 3 are fixedly mounted with pushers 4 and 5, respectively, with oblique ends cut off. The rotors 6 are made with conical working surfaces and are mounted on a sleeve 26 located on the output shaft 10 with the possibility of rotation and axial movement. The rotors 6 and 7 are mounted on the sleeve 26 with the possibility of rotation on it independently of each other. On the outer end faces of the rotors 6 and 7, friction elements 27 and 28 are made in the form of a flat ring. On the output shaft 10, the disks 29 and 30 are fixedly mounted with similar friction elements 31, 32, opposite the corresponding friction elements 27, 28 of the rotors 6, 7, and interacting with them in the extreme positions of the rotors.

Реверсивный пьезоэлектрический двигатель по варианту II (фиг. 7) работает следующим образом. Reversible piezoelectric motor according to option II (Fig. 7) works as follows.

При подаче на электроды 21 одного из пьезоэлектрических осцилляторов, например 2, электрического напряжения определенной частоты, равной или близкой к резонансной частоте радиальных колебаний пьезоэлемента 20, в нем возникают продольные радиальные колебания, которые передаются толкателям 4. При расширении пьезоэлектрического элемента 20 его наружная рабочая поверхность перемещает находящиеся в механическом контакте с ней внутренние концы толкателей 4 в радиальном направлении. Противоположные концы толкателей, наклонно упирающиеся в рабочую коническую поверхность ротора 6, вследствие заклинивания создают на роторе тангенциальное усилие (так как угол между толкателем и касательной к поверхности ротора меньше 90^o), что вызывает угловое смещение ротора.When one of the piezoelectric oscillators, for example 2, is supplied to the electrodes 21, an electric voltage of a certain frequency equal to or close to the resonant frequency of the radial vibrations of the piezoelectric element 20, longitudinal radial vibrations arise in it, which are transmitted to the followers 4. When the piezoelectric element 20 expands, its outer working surface moves the inner ends of the pushers 4 which are in mechanical contact with it in the radial direction. The opposite ends of the pushers, inclined abutting against the working conical surface of the rotor 6, due to jamming create a tangential force on the rotor (since the angle between the pusher and the tangent to the rotor surface is less than 90 ^o ), which causes the angular displacement of the rotor.

При сжатии пьезоэлемента 20 внутренние концы толкателей 4, укрепленные на поверхности пьезоэлемента, перемещаются в радиальном направлении к его центру. При этом внешние концы толкателей 4, взаимодействующие с поверхностью ротора 6, вследствие уменьшения силы трения проскальзывают по рабочей поверхности ротора и занимают новое в окружном направлении ротора положение. Обратному повороту ротора 6 могут препятствовать в значительной степени силы инерции массы ротора и связанных с ним масс приводимого во вращение механизма. When compressing the piezoelectric element 20, the inner ends of the pushers 4, mounted on the surface of the piezoelectric element, move in the radial direction to its center. In this case, the outer ends of the pushers 4 interacting with the surface of the rotor 6, due to a decrease in the friction force, slip along the working surface of the rotor and occupy a new position in the circumferential direction of the rotor. The reverse rotation of the rotor 6 can be hindered to a large extent by the inertia forces of the mass of the rotor and the associated masses of the rotatable mechanism.

Такой процесс повторяется при колебаниях пьезоэлемента 20 и сопровождается возникновением постоянного момента, приводящего ротор 6 пьезодвигателя во вращение. В этом двигателе передача момента от роторов 6, 7 на выходной вал осуществляется через фрикционные элементы 27, 28, 31, 32 на роторах и на установленных на валу 10 дисках 29, 30. Such a process is repeated during oscillations of the piezoelectric element 20 and is accompanied by the appearance of a constant moment leading the rotor 6 of the piezoelectric motor into rotation. In this engine, torque is transmitted from the rotors 6, 7 to the output shaft through friction elements 27, 28, 31, 32 on the rotors and on the disks 29, 30 mounted on the shaft 10.

Перемещение блока роторов 6-7, объединенных втулкой 26, происходит за счет осевой составляющей силы взаимодействия косо срезанных концов толкателей 4 с конической рабочей поверхностью ротора 6. При работающем осцилляторе 2 и отключенном осцилляторе 3 толкатели 4 взаимодействуют с конической поверхностью ротора 6, приводя его во вращение. Одновременно за счет осевой составляющей силы взаимодействия толкателей с ротором 6 ротор 6 и связанный с ним втулкой 26 ротор 7 перемещаются вверх, при этом фрикционный элемент 28 ротора 7 выходит из контакта с фрикционным элементом на укрепленном на выходном валу 10 диске 30, а фрикционные элементы 27 и 31 на роторе 6 и диске 29 входят в контакт, обеспечивая реверс двигателя. Перемещение ротора 7 возможно за счет некоторого распрямления и изгиба толкателей 5 неработающего осциллятора 3 и свободной установки ротора 7 на втулке 26, допускающей его вращение. The movement of the block of rotors 6-7, united by a sleeve 26, occurs due to the axial component of the interaction force of the obliquely cut ends of the pushers 4 with the conical working surface of the rotor 6. When the oscillator 2 is operating and the oscillator 3 is turned off, the pushers 4 interact with the conical surface of the rotor 6, bringing it into rotation. At the same time, due to the axial component of the interaction force of the pushers with the rotor 6, the rotor 6 and the rotor 7 connected to it by a sleeve 26 move upward, while the friction element 28 of the rotor 7 comes out of contact with the friction element on the disk 30 mounted on the output shaft 10, and the friction elements 27 and 31 on the rotor 6 and the disk 29 come into contact, providing reverse engine. The movement of the rotor 7 is possible due to some straightening and bending of the pushers 5 of the inoperative oscillator 3 and the free installation of the rotor 7 on the sleeve 26, allowing its rotation.

Такой двигатель может работать лишь при одном включенном осцилляторе, в отличие от двигателей с телами качения (по I варианту), допускающими работу с обоими осцилляторами. Such an engine can operate only with one oscillator switched on, unlike engines with rolling bodies (according to the I variant), which allow operation with both oscillators.

Характерной особенностью этого двигателя является отсутствие ограничений крутящего момента со стороны "пассивной" пары ротор 7 толкатели 5, так как "активный" ротор связан напрямую с выходным валом 10. A characteristic feature of this engine is the absence of torque restrictions from the side of the “passive” pair of rotors 7 pushers 5, since the “active” rotor is connected directly to the output shaft 10.

Предлагаемый пьезоэлектрический двигатель может быть использован в качестве безредукторного двигателя непрерывного вращательного движения с реверсом. Двигатель может найти применение в исполнительных устройствах систем автоматики, в автомобильной промышленности в приводах механизмов опускания-подъема стекол и в др. целях. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 The proposed piezoelectric motor can be used as a gearless continuous rotation motor with reverse. The engine can be used in actuators of automation systems, in the automotive industry in drives for lowering and raising glass, and for other purposes. YYY2 YYY4 YYY6

Claims

1. Reversible piezoelectric engine, comprising a housing with two piezoelectric oscillators located in it, on the working surfaces of which pushers are obliquely mounted, frictionly coupled to the working surface of the rotor associated with the output shaft, characterized in that both oscillators are mounted in the housing motionless, the pushers on the oscillators bent in opposite directions, while the rotor is made of two parts of individual rotors, between which are placed the rolling body associated with the output shaft, interacting with rotors by friction or gearing.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the oscillators are made in the form of flat rings with electrodes on flat surfaces and cylindrical working surfaces.

3. The engine according to claim 2, characterized in that the working surfaces of the rotors are cylindrical.

4. The engine according to claim 3, characterized in that the oscillators and rotors are concentric.

5. The engine according to claim 3 or 4, characterized in that it further comprises elements for elastic pressing of the rotors to the rolling bodies.

6. The engine according to claim 2, characterized in that the working surfaces of the rotors are conical and oriented vertically in the opposite direction.

7. The engine according to claim 1, characterized in that the oscillators are made in the form of cylinders with electrodes on cylindrical surfaces and end working surfaces, while the working surfaces of the rotors are made flat.

8. A reversible piezoelectric motor, comprising a housing with two piezoelectric oscillators placed in it in the form of flat rings, on the cylindrical working surfaces of which pushers are obliquely mounted, frictionally coupled to the working surface of the rotor connected to the output shaft, characterized in that both oscillators are fixed the pushers on the oscillators are bent in opposite directions, the rotor is made of two parts of individual rotors equipped with friction elements on the outer ends ntami, with conical working surfaces oriented outward by smaller bases, while the engine additionally contains disks with friction elements mounted on the output shaft on both sides of the rotors for interacting with friction elements of the rotors, and the rotors are axially connected and mounted to rotate relative to each other and axial movement to contact in the extreme positions of its friction elements with friction elements of the disks.